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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben von Ziehpressen nach
dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie eine Ziehpresse nach dem Oberbegriff
von Anspruch 4.
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Die
Qualität
gezogener Blechteile hängt
wesentlich von der richtigen Einstellung der Niederhalterkraft in
der Ziehpresse ab. Ändern
sich während des
Ziehprozesses die Prozessparameter, z. B. aufgrund einer Störung durch
werkstückseitige
Qualitäts- oder Schmierungsänderung,
so muss dies durch eine schnelle Korrektur des Einstellwertes der Klemmkraft
des Niederhalters sofort und selbsttätig kompensiert werden, damit
das Ziehteil – trotz
der veränderten
Prozessparameter für
das betreffende Rohteil – dennoch
ordnungsgemäß fertiggezogen werden
kann.
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Die
DE 43 38 828 A1 beschreibt
ein Verfahren zur On-Line-Regelung des Ziehprozesses, bei dem die
Niederhalterkraft so geregelt wird, dass der Einlaufweg des Rohteilrandes
einem zuvor ermittelten Sollwert entspricht. Hierbei wird der Niederhalter mittels
eines hydraulisch beaufschlagbaren, auf den Niederhalter in Richtung
der Anlagefläche
wirkenden Druckkolben betätigt.
Die Hydraulik ist jedoch vergleichsweise langsam und daher nicht
immer in der Lage, die Niederhalterkraft so schnell nachzuregeln, dass
die gewünschte
Qualität
des Ziehteils erreicht werden kann.
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Ähnliche
Schwierigkeiten treten auch in Mehrpunktzieheinrichtungen auf, in
denen ein Rohteil zwischen einem Oberwerkzeug, einem Unterwerkzeug
und einem über
mehrere Druckpunkte einstellbaren Blechhalter verformt wird. Eine
solche Mehrpunktzieheinrichtung ist z. B. in
DE 44 03 954 A1 beschrieben.
Auf jeden Druckpunkt wirkt ein Druckkolben. Die Regelung jedes einzelnen
Druckpunkts erfolgt – pneumatisch
oder hydraulisch – unabhängig von
der Einstellung der anderen Druckpunkte, wodurch eine Optimierung
der Einstellung des Blechhalters während des Ziehvorgangs ermöglicht wird.
Allerdings sind die hydraulisch oder pneumatisch geregelten Druckpunkte
oft zu träge,
um lastbedingte Durchbiegungen der Tiefziehwerkzeuge, Werkzeug bzw.
Werkstückvibrationen
etc. zu kompensieren.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen,
mit dessen Hilfe eine besonders schnelle Regelung der Auflagekraft
eines Druckpunkts – und,
als Spezialfall hiervon, der Niederhalterkraft – an einer Ziehpresse, gewährleistet
werden kann.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale der Ansprüche
1 und 4 gelöst.
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Danach
wird zwischen dem Druckpunkt und dem geregelten Druckkolben ein
ebenfalls geregelter piezoelektrischer Aktuator angeordnet. Die
Auflagekraft des Druckpunkts wird im Zusammenwirken von Druckkolben
und piezoelektrischem Aktuator geregelt.
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Vorzugsweise
wird die Auflagekraft des Druckpunktes mit dem Druckkolben grob- und mit dem piezoelektrischen
Aktuator feingeregelt. Druckkolben und Aktuator ergänzen sich
gegenseitig bzw. kompensieren mit ihren spezifischen Vorteilen die Schwächen des
anderen. Der Vorteil der Druckkolben besteht in ihrem großen Verstellweg.
Ihr Nachteil in Bezug auf das zu lösende Problem ist ihre relative Trägheit. Umgekehrt
haben die piezoelektrischen Aktuatoren einen nur sehr kleinen Verstellweg
und andererseits eine fast trägheitslose
Reaktion.
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In
einer vorzugsweisen Ausführung
regelt bzw. steuert der Druckkolben den Verlauf der Auflagekraft
im Druckpunkt in Abhängigkeit
von einem zuvor ermittelten Solleinlaufweg des Rohteilrandes und der
piezoelektrische Aktuator "korrigiert" diesen Auflagekraftverlauf
in Abhängigkeit
von der Differenz zwischen Ist-Einlaufweg und Soll-Einlaufweg.
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Zur
Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
auf ein konventionelles Tiefziehwerkzeug, das Stempel, Matrize und
Niederhalter umfasst, wird der piezoelektrische Aktuator zwischen dem
Niederhalter und dem herkömmlich
zur Einstellung des Niederhalters verwendeten Druckkolben angeordnet.
Dies ermöglicht
eine Grobregelung der Niederhalterkraft mit Hilfe des Druckkolbens,
während
die – vergleichsweise
sehr schnelle – Feinregelung
der Niederhalterkraft mittels des piezoelektrischen Aktuators erfolgt.
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Als
piezoelektrischer Aktuator wird zweckmäßigerweise ein Stapelquarz
verwendet, der aus einem Stapel mehrerer Piezoquarze besteht, welche durch
Anlegen einer elektrischen Spannung in Stapelrichtung kontrahieren
bzw. expandieren. Der Stapelquarz ist so zwischen Druckpunkt und
Druckkolben angeordnet, dass die Stapelrichtung näherungsweise
parallel zur Vorschubrichtung des Druckkolbens zu liegen kommt.
Dadurch ist gewährleistet, dass
eine an den Stapelquarz angelegte Spannung eine größtmögliche Änderung
der Auflagekraft zur Folge hat.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispieles
näher erläutert; dabei
zeigen:
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1 eine
schematische Ansicht einer Ziehpresse mit piezoelektrischen Aktuatoren;
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2 eine
schematische Ansicht einer Mehrpunkt-Zieheinrichtung.
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1 zeigt
einen Ausschnitt einer Ziehpresse 1, die einen hubbeweglich
antreibbaren Pressenstößel 2 sowie
einen Pressentisch 3 enthält. Das zum Ziehen eines Rohteils 4 erforderliche
Ziehwerkzeug 5 besteht aus einem stationären und
aus einem hubbeweglichen Werkzeugteil, wobei der stationäre Teil 6 auf
dem Pressentisch 3 und der hubbewegliche Teil 7 an
dem Pressenstößel 2 befestigt
ist. Der Begriff „Rohteil" 4 bezeichnet
hier ein Halbzeug bzw. ein Blech aus einem beliebigen tiefziehfähigen Werkstoff.
Das Ziehwerkzeug 5 enthält
einen formgebenden Bereich, der aus einer am Pressenstößel 2 befestigten
Matrize 8 und einem am Pressentisch 3 befestigten
Stempel 9 gebildet ist. Die Matrize 8 ist von einer
mit dem Pressenstößel 2 fest
verbundenen Anlagefläche 10 umgeben.
Der Anlagefläche 10 gegenüberliegend
ist ein Niederhalter 11 angeordnet, der den Stempel 9 umgibt.
Der Niederhalter 11 ist auf hydraulischen oder pneumatischen
Druckkolben 12 verschiebbar gegenüber dem Pressentisch 3 gelagert.
Am Niederhalter 11 befindet sich ein dem Druckkolben 12 zugeordneter
Druckpunkt 13, der während des
Ziehprozesses auf den Rand 14 des zu ziehenden Rohteils 4 einwirkt.
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Zwischen
Druckkolben 12 und Niederhalter 11 bzw. Druckpunkt 13 sind
weiterhin Stapelquarze 15 angeordnet, die eine zusätzliche
Verschiebung des Niederhalters 11 gegenüber dem Druckkolben 12 ermöglichen.
Wird an solch einen Stapelquarz 15 eine externe Spannung
angelegt, so erfährt
der Stapelquarz 15 – in
Abhängigkeit
des Vorzeichens der Spannung – eine
Expansion bzw. Kontraktion entlang seiner Achse. Die Stapelquarze 15 sind
auf eine solche Weise zwischen Druckkolben 12 und Niederhalter 11 angeordnet,
dass ihre Achse näherungsweise senkrecht
zur Anlagefläche 10 verläuft.
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Beim
Ziehen eines Rohteils 4 wird der Rohteilrand 14 zwischen
Anlagefläche 10 und
Niederhalter 11 eingeklemmt. Der Niederhalter 11 übt hierbei eine
Niederhalterkraft auf den Rohteilrand 14 aus, dessen Grobeinstellung
mittels der hydraulischen bzw. pneumatischen Druckkolben 12 erfolgt,
während
ihre Feinregelung mit Hilfe der Stapelquarze 15 erfolgt.
Zur Regelung der Niederhalterkraft wird eine Regeleinheit 16 verwendet,
mit der sowohl der Druck jedes einzelnen Druckkolbens 12 als
auch die an jeden Stapelquarz 15 angelegte Spannung geregelt wird,
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Der
Niederhalter 11 wird während
des Ziehhubes von der mit dem Pressenstößel 2 fest verbundenen
Anlagefläche 10 nach
unten gedrückt
und weicht gegen diese mit einem definierten Widerstand aus. Durch
diesen Widerstand wird die Niederhalterkraft aufgebaut. Die Niederhalterkraft
ist hierbei die Stellgröße eines
Regelungsvorgangs, dessen Zielgröße der Einlaufweg
des Rohteilrandes 14 zwischen der Anlagefläche 10 und
dem Niederhalter 11 ist. Für Ziehteile 4 eines
bestimmten Typs wird vor Aufnahme der Produktion der optimale Einlaufweg
des Rohteilrandes 14 und sein zeitlicher Verlauf als Funktion
des Pressenhubes, der sogenannte Soll-Einlaufweg SE, bestimmt und
datenmäßig gespeichert.
Um ein reißer-
und faltenfreies (und somit „gutes") Ziehteil 4 herzustellen,
muss der Ist-Einlaufweg IE des Rohteilrandes 14 diesem
(empirisch gemessenen oder durch eine Simulation berechneten) Soll-Einlaufweg SE
entsprechen. Zur Ermittlung des Ist-Einlaufweges IE des Rohteilrandes 14 ist
am Niederhalter 11 ein induktiver Wegsensor 17 angebracht,
der prozessbegleitend zum Ziehvorgang den momentanen Ist-Einlaufweg
IE misst. Die Messwerte werden laufend der Regeleinheit 16 zugeleitet
und dort mit dem Soll-Einlaufweg SE verglichen.
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Um
einen dem Soll-Einlaufweg SE entsprechenden zeitlichen Verlauf des
Ist-Einlaufweges
IE zu erhalten, muss der Niederhalter 11 eine bestimmte,
mit dem zeitlichen Verlauf des Pressenhubes korrelierte, Ist-Niederhalterkraft
ausüben.
Diese Ist-Niederhalterkraft
ist die Summe aus einer so genannten Soll-Niederhalterkraft SNK
und einer Differenz-Niederhalterkraft DNK. Die Soll-Niederhalterkraft
SNK entspricht dabei demjenigen Zeitverlauf der Niederhalterkraft,
durch den auf einem idealisierten Ziehteil 4 der Solleinlaufweg
SE erreicht würde;
die Korrelation von Soll-Niederhalterkraft SNK und Soll-Einlaufweg
SE wird entweder im Zuge einer Simulation des Ziehprozesses oder
im Rahmen von empirischen Untersuchungen ermittelt.
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Entsprächen alle
zu fertigenden Ziehteile 4 dem idealisierten Ziehteil (bzw.
dem für
die empirischen Untersuchungen gewählten Meisterteil), so wäre für alle Ziehteile
der zeitliche Verlauf der Ist-Niederhalterkraft gleich demjenigen
der Soll-Niederhalterkraft SNK. Jedoch weisen die Ziehteile 4 in
der Realität
eine gewisse Streuung bezüglich
Blechqualität, Oberflächenrauheit,
lokaler Blechdicke und Schmierungsbedingungen auf, welche Einfluss
auf die Zieh- und Gleiteigenschaften des Ziehteils 4 in
der Ziehpresse 1 haben. Um dennoch für alle Ziehteile einen dem
Soll-Einlaufweg SE entsprechenden Ist-Einlaufweg IE zu erreichen, muss daher
die Ist-Niederhalterkraft individuell auf das jeweilige Einzelteil
abgestimmt werden und weicht in ihrem zeitlichen Verlauf von der
Soll-Niederhalterkraft SNK ab, Diese Abweichung entspricht der oben
eingeführten
Differenz-Niederhalterkraft DNK.
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Da
der zeitliche Verlauf der Soll-Niederhalterkraft SNK im Vorfeld
ermittelt und auf ein Soll-Ziehteil eingestellt wird, ist für die Regelung
der Soll-Niederhalterkraft SNK keine schnelle Kopplung an den Messwert
des Sensors 17 vonnöten.
Somit ist es vorteilhaft, die Soll-Niederhalterkraft SNK mit Hilfe
der (vergleichsweise trägen,
jedoch über
einen großen Verfahrweg
verstellbaren) hydraulischen Druckkolben 12 aufzubringen.
Alle Änderungen
der Ist-Niederhalterkraft, die durch Variationen des jeweils bearbeiteten
Ziehteils 4 bedingt sind, werden durch die Differenz-Niederhalterkraft
DNK abgefangen. Die Einstellung der Differenz-Niederhalterkraft
DNK muss daher eine sehr schnelle Reaktion auf etwaige Abweichungen
des Ist-Einlaufweges IE vom Soll-Einlaufweg SE ermöglichen,
während
hierfür
kein großer Verfahrweg
vonnöten
ist. Die Einstellung der Differenz-Niederhalterkraft DNK erfolgt
mittels der Stapelquarze 15, die eine sehr schnelle Höhenverstellung als
Funktion der angelegten äußeren Spannung
ermöglichen.
Die Stapelquarze 15 bilden somit die Stellgröße eines
Regelkreises, dessen Messgröße dem durch
den Sensor 17 erfassten Ist-Einlaufweg IE entspricht. Diese
Aufteilung der Regelung in zwei getrennte Teile ist in 1 schematisch
dargestellt.
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Während der
Produktion von Ziehteilen 4 wird innerhalb eines jeden
Arbeitstaktes an der gleichen Umfangsstelle des Rohteilrandes 14 laufend der
tatsächliche
Ist-Einlaufweg IE
gemessen und mit dem der momentanen Stempelstellung entsprechenden
Soll-Einlaufweg SE verglichen. Ist der Ist-Einlaufweg IE im Vergleich
zum Soll-Einlaufweg SE zu gering, so wird die Differenz-Niederhalterkraft
DNK gegenüber
dem gerade vorliegenden Einstellwert gesenkt, indem mittels einer
Reduktion der an die Stapelquarze 15 angelegten Spannung
die Dicke der Stapelquarze 15 reduziert wird; dadurch gleitet
der Rohteilrand 14 schneller nach, so dass der Ist-Einlaufweg
IE den Soll-Einlaufwert SE wieder erreichen kann. Ist andererseits
der Ist-Einlaufweg IE im Vergleich zum Soll-Einlaufweg SE zu groß, so wird
die Differenz-Niederhalterkraft DNK durch Erhöhung der an die Stapelquarze 15 angelegten
Spannung gegenüber
dem gerade vorliegenden Einstellwert vergrößert; dadurch wird ein Nachgleiten
des Rohteilrandes 14 erschwert, so dass der geringere Soll-Einlaufwert
SE erreicht werden kann.
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Die
Dicke der Stapelquarze 15 beträgt typischerweise 25 mm; durch
Anlegen einer Spannung kann diese Dicke in einem Bereich von etwa ± 50 μm verändert werden,
was die typische Rauheit von Tiefziehblechen um ein Vielfaches übertrifft.
Die Stapelquarze 15 sind weiterhin in der Lage, hohe Druckkräfte zu übertragen,
und sind daher besonders geeignet für diese Anwendung. Sollten
die durch die Dickenänderungen
der Stapelquarze 15 überbrückbaren
Wege für
eine bestimmte Anwendung nicht ausreichen, so können diese Wege konstruktiv
durch entsprechende Übersetzung
realisiert werden.
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Beim
Tiefziehen komplexer Ziehteile 4 kann es günstig sein,
eine Mehrpunktzieheinrichtung 1' einzusetzen, bei der entlang des
Rohteilrandes 14 an unterschiedlichen Stellen unterschiedliche
Niederhalterkräfte
auf den Rohteilrand 14 einwirken, was eine differenzierte
Einflussnahme auf den lokalen Materialfluss im Ziehteil 4 während des
Ziehprozesses gestattet. In diesem Fall besteht, wie in 2 gezeigt,
der Niederhalter 11 aus mehreren Bereichen 11',11'' mit jeweils einen Druckpunkt 13', 13''. Jedem Druckpunkt 13', 13'' sind ein Stapelquarz 15', 15'' und ein Druckkolben 12', 12'' zugeodnet. Weiterhin weist jeder
Niederhalterbereich 11', 11''einen Sensor 17, 17'' auf, mit Hilfe dessen der Ist-Einlaufweg
IE', IE'' des Ziehteils 4 in diesem
Bereich 11', 11'' gemessen wird. Durch Simulationen
des Ziehvorgangs oder durch empirische Messungen wird für jeden
Niederhalterbereich 11', 11'' der zeitliche Verlauf des Soll-Einlaufwegs
SE', SE'' des dem Niederhalterbereich 11', 11'' gegenüberliegenden Bereich 14', 14'' des Rohteilrandes bestimmt; weiterhin
wird für
jeden Niederhalterbereich 11', 11'' der zeitliche Verlauf des zur
Erzeugung dieses lokalen Soll-Einlaufweges
SE', SE'' benötigte
Soll-Niederhalterkraft SNK',
SNK'' bestimmt. Der Zeitverlauf
des Soll-Einlaufweges SE', SE'' und der Soll-Niederhalterkraft SNK', SNK'' als Funktion der Stößelposition werden jeweils
in einer diesem Niederhalterbereich 11', 11'' zugeordneten Regeleinheit 16', 16'' abgelegt. Während des Ziehprozesses werden
mit Hilfe des hydraulischen bzw. pneumatischen Druckkolbens 12', 12'' die im Vorfeld ermittelte Soll-Niederhalterkräfte SNK', SNK'' in ihrem zeitlichen Verlauf ausgeübt. Die
dabei auftretenden Ist-Einlaufwege IE', IE'' werden durch die
Sensoren 17', 17'' gemessen, die Messwerte in den
Regeleinheiten 16', 16'' mit den Soll-Einlaufwegen SE', SE'' verglichen und entsprechend der dabei
ermittelten Differenzen solche Spannungen an die Stapelquarze 15', 15'' angelegt, die die momentanen Niederhalterkräfte um eine
Differenz-Niederhalterkraft DNK', DNK'' erhöhen
bzw. verringern.
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Die
Niederhalterkraft in jedem Niederhalterbereich 11' ist somit einzeln
und getrennt von den anderen Bereichen 11'' regelbar,
wobei die Grobregelung der Niederhalterkraft mit Hilfe des pneumatischen
bzw. hydraulischen Druckkolbens 12' nach Maßgabe einer im Vorfeld ermittelten
Soll-Niederhalterkraft SNK' erfolgt,
während
die Feinregelung über einen
Regelkreis erfolgt, in den der Sensor 17' als Messglied und die Stapelquarze 15' als Stellglieder eingebunden
sind.
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Neben
dem beschriebenen Einsatz der Stapelquarze 15, 15', 15'' zur schnellen Regelung von Niederhaltern 11, 11', 11'' in einer Tiefziehpresse 1, 1' zur Bearbeitung
von Ziehteilen 4 aus Blech können die Stapelquarze 15, 15', 15'' auch in Pressen zur Bearbeitung
von Spanholzplatten sowie zum Pressen von Pressplatten in der Kunststoffindustrie
eingesetzt werden.